1．前言
目前全球定位系統(tǒng)（CPS）定位技術(shù)是20世紀(jì)90年代興起的集空間科技、計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、無(wú)線傳輸技術(shù)等科技于一體而成的高端技術(shù)。其基本原理是：衛(wèi)星（與地球軌道同步）不間斷地發(fā)送自身的星歷參數(shù)和時(shí)間信息，用戶接到這些信息后，經(jīng)過(guò)電腦計(jì)算求出接收機(jī)的三維位置、三維方向及時(shí)間信息，具有速度快、連續(xù)、同步、全自動(dòng)獲得三維坐標(biāo)的優(yōu)點(diǎn)，已在我國(guó)跨海長(zhǎng)大橋的定位工作中起到了常規(guī)測(cè)量?jī)x器無(wú)法起到的作用。其平面精度已能達(dá)到10mm+2ppm，高程精度達(dá)到20mm+2ppm的成果。無(wú)疑在工程測(cè)量史上是一次大的飛躍和進(jìn)步。
但是在我國(guó)內(nèi)河的大橋建設(shè)中，如果水面寬度或跨河長(zhǎng)度在2000m以下時(shí)，若采用相應(yīng)的高精度常規(guī)、測(cè)量?jī)x器在工作方法上進(jìn)行改革與創(chuàng)新，充分利用現(xiàn)有資源，同樣可以達(dá)到上述精度的要求，是完全可能的。
眾所周知，《公路橋涵梁施工技術(shù)規(guī)范》（JTJ 041—2000）表10.10.8—1中的第5項(xiàng)規(guī)定：墩臺(tái)軸線偏位允許偏差為10mm，如果用GPS標(biāo)定出墩中心的坐標(biāo)后，按規(guī)范要求墩間跨度尚須作檢核防止粗差的發(fā)生；另一方面，施工中在求得墩中心的位置后，還必須放樣出橋墩、臺(tái)的十字軸線以便施工，這樣需用經(jīng)緯儀來(lái)放樣。筆者通過(guò)國(guó)內(nèi)外若干特大橋的實(shí)踐，采用獨(dú)立的坐標(biāo)系統(tǒng)，測(cè)設(shè)了與規(guī)范規(guī)定等級(jí)相適應(yīng)的控制網(wǎng)，所有控制點(diǎn)設(shè)置了強(qiáng)制歸心的照準(zhǔn)覘標(biāo)和穩(wěn)定可靠的置儀點(diǎn)。根據(jù)墩位的設(shè)計(jì)坐標(biāo)和控制點(diǎn)的坐標(biāo)，事先在內(nèi)業(yè)計(jì)算出彼此之間的邊長(zhǎng)及獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)的方位角，繪制出幾種適應(yīng)不同儀器的定位網(wǎng)絡(luò)圖，嚴(yán)格復(fù)核無(wú)誤后，方可在現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)實(shí)測(cè)邊長(zhǎng)或方位角，在圖上標(biāo)定觀測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)位置，并取得了令人非常滿意的成果。這些方法勞動(dòng)強(qiáng)度低，操作容易，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)不必計(jì)算，標(biāo)定點(diǎn)位按1:1的比例進(jìn)行，因而精度很高且不易出錯(cuò)，一般測(cè)量人員都容易掌握，所以已獲得使用者的鐘愛(ài)和接受?，F(xiàn)介紹如下：
2．大橋平面控制網(wǎng)的測(cè)設(shè)要求
橋梁平面控制網(wǎng)的測(cè)設(shè)是為橋梁建筑施工服務(wù)的，要確保橋梁上、下部結(jié)構(gòu)按照設(shè)計(jì)圖紙正確、高精度地進(jìn)行測(cè)量和放樣到實(shí)地的控制依據(jù)。同時(shí)為了滿足“建管并重”的要求，還必須考慮作為檢測(cè)墩、臺(tái)施工過(guò)程及竣工后的變形觀測(cè)的控制依據(jù)。這是一項(xiàng)保證工程質(zhì)量的最根本的基礎(chǔ)工作，必須高精度地做好控制網(wǎng)的測(cè)設(shè)工作，確?？刂泣c(diǎn)點(diǎn)位結(jié)構(gòu)的永久穩(wěn)定性。這種專用控制網(wǎng)的特點(diǎn)有：①控制的范圍小，而控制點(diǎn)問(wèn)的密度較大，精度要求高；②使用次數(shù)頻繁，必須定期檢核其穩(wěn)定性；③受施工干擾。
這種橋梁專用控制網(wǎng)必要精度的確定方法，有三種：
（1）一是由跨河長(zhǎng)度確定橋軸線的必要精度，就是根據(jù)跨河長(zhǎng)度的大小來(lái)確定橋軸線上兩控制點(diǎn)之間的相對(duì)中誤差，基本上是個(gè)等比級(jí)數(shù)關(guān)系：
①橋長(zhǎng)100m，兩岸控制點(diǎn)之間相對(duì)中誤差為l:10000；
②橋長(zhǎng)200m，兩岸控制點(diǎn)之間相對(duì)中誤差為1:20000；
③橋長(zhǎng)500m，兩岸控制點(diǎn)之間相對(duì)中誤差為l:50000。
這是老規(guī)范提出的橋軸線精度要求，它既沒(méi)有考慮到上部結(jié)構(gòu)的形式以及墩跨的大小，也沒(méi)有顧及定位的精度。
（2）二是由橋長(zhǎng)、橋跨的大小、橋式以及施工安裝中等因素的綜合影響來(lái)確定三角網(wǎng)的必要精度，這是目前《新建鐵路工程測(cè)量規(guī)范》（TB 10101—99）對(duì)橋軸線精度進(jìn)行估算的方法，文獻(xiàn)[1]在得出全橋長(zhǎng)度相對(duì)中誤差后，就作為布設(shè)三角控制網(wǎng)時(shí)對(duì)橋軸線精度的預(yù)定要求。為此，便可根據(jù)從《新建鐵路工程測(cè)量規(guī)范》（TB 10101—99）的控制三角網(wǎng)的等級(jí)和精度的規(guī)定來(lái)選擇施測(cè)的三角網(wǎng)等級(jí)，見(jiàn)表1。
（3）三是由墩中心的定位誤差來(lái)推算控制網(wǎng)最弱邊的精度。
筆者認(rèn)為布設(shè)橋梁專用平面控制網(wǎng)的最重要的目的之一是要高精度地定出墩、臺(tái)中心的最或是值位置，盡可能地減少偏心的影響，使傳力處于最佳狀態(tài)。這樣在布網(wǎng)時(shí)，應(yīng)使控制點(diǎn)本身的誤差所引起放樣點(diǎn)位的誤差，相對(duì)于施工放樣的誤差來(lái)說(shuō)，小到可以忽略不計(jì)。根據(jù)這個(gè)原則，對(duì)平面控制的精度要求分析如下：
設(shè) M為放樣后所得墩中心點(diǎn)位的總誤差；
m
1為控制網(wǎng)的點(diǎn)位誤差
m
2為放樣時(shí)，交會(huì)定點(diǎn)的誤差。
按此數(shù)值計(jì)算，對(duì)于1 000m長(zhǎng)的三角網(wǎng)最弱邊的相對(duì)中誤差應(yīng)不大于
，這個(gè)精度要求是相當(dāng)高的。在實(shí)際工作中，我們常常發(fā)現(xiàn)全橋長(zhǎng)度的最后竣工結(jié)果是能滿足規(guī)范的精度要求的，而江心的墩中心點(diǎn)誤差就不易達(dá)到l0mm的允許誤差范圍內(nèi)，這是因?yàn)椴捎脭U(kuò)大邊（最弱邊）來(lái)放樣的結(jié)果。為此建議采取下述措施來(lái)提高墩中心定位的精度：
?。?）增加基線數(shù)，作為墩位放樣用的控制點(diǎn)最好是基線端點(diǎn)或基線上的節(jié)點(diǎn)。
（2）采用邊角網(wǎng)，選擇有利觀測(cè)時(shí)間，提高觀測(cè)精度。
（3）采用可調(diào)節(jié)的鋼管活動(dòng)覘標(biāo)標(biāo)心，進(jìn)行強(qiáng)制歸心。
（4）控制點(diǎn)的點(diǎn)位基礎(chǔ)，必須穩(wěn)固。
（5）在基線方向上盡量多設(shè)節(jié)點(diǎn)，便于選擇較好的定位圖形。
根據(jù)以上分析，采用第三種方法來(lái)確定控制網(wǎng)的必要精度是既能在宏觀上控制好橋軸線的精度，又能在微觀上控制好每個(gè)水中墩位的精度達(dá)到規(guī)范的要求，基礎(chǔ)工作做得扎實(shí)可靠，才能確保全橋的定位精度要求，是不容忽視的。
3. 方位角網(wǎng)絡(luò)圖繪制的基本原理及應(yīng)用實(shí)例
施工測(cè)量單位若不具備光電測(cè)距儀或全站儀設(shè)備，只要有高精度的控制網(wǎng)，采用秒級(jí)經(jīng)緯儀進(jìn)行前方交會(huì)的網(wǎng)絡(luò)圖來(lái)定位也是非常方便的。這種方位角定位網(wǎng)絡(luò)圖是根據(jù)所需定位的墩中心設(shè)計(jì)坐標(biāo)與選定的控制點(diǎn)的坐標(biāo)反算出其間的邊長(zhǎng)、方位角及根據(jù)邊長(zhǎng)求得的弧度秒差值來(lái)繪制的。每個(gè)墩位至少要有三個(gè)控制點(diǎn)的測(cè)站來(lái)進(jìn)行交會(huì)，以相互檢核，應(yīng)在圖紙上得出示誤三角形，取其內(nèi)切圓心即是所求點(diǎn)的坐標(biāo)位置。如圖1所示。
舉例：由于平面控制網(wǎng)上選擇好的各控制點(diǎn)至各墩間的獨(dú)立坐標(biāo)系方位角、交會(huì)邊長(zhǎng)、各邊的弧度秒差弧距值(S/p”)都是預(yù)先在放樣的總平面圖上設(shè)計(jì)并計(jì)算好了的。
根據(jù)這三個(gè)方向的秒差繪制成用一定范圍的角差為間距的方位角列線線族網(wǎng)絡(luò)圖。這種底圖同觀測(cè)的方法相適應(yīng)，由三個(gè)方向的線族（Group Lines）組成，線族成平行線的線間距d
i=4″×S
i/206 265=4k
i，也就是每?jī)蓷l線的間距代表4″的角差。如圖4所示。
由三個(gè)方向的線族組成的方位角網(wǎng)絡(luò)圖，現(xiàn)場(chǎng)操作時(shí)置僅點(diǎn)用方位角來(lái)后視任意適宜的控制點(diǎn)覘標(biāo)二個(gè)以資檢核，然后三個(gè)測(cè)站的經(jīng)緯儀在統(tǒng)一信號(hào)下（一般由墩上的測(cè)量人員發(fā)布）同時(shí)瞬間觀測(cè)水中基礎(chǔ)機(jī)構(gòu)中心N上所豎立的標(biāo)桿，將讀得方位角，隨即用電話報(bào)告墩上測(cè)量人員。他就可以根據(jù)三個(gè)方位角值，直接標(biāo)定N點(diǎn)的位置，與設(shè)計(jì)中心比較既可得出與值，如圖4所示：
采用同時(shí)瞬間觀測(cè)的目的，主要是水中的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)尚未下沉到穩(wěn)定的高程，有晃動(dòng)的狀態(tài)。瞬間觀測(cè)，標(biāo)定點(diǎn)位產(chǎn)生的示誤三角形小，標(biāo)定精度高，提供數(shù)字及時(shí)，一般在2min內(nèi)即可測(cè)定，隨測(cè)隨報(bào)，可以從系統(tǒng)的記錄中找出結(jié)構(gòu)物在水中變動(dòng)的幅度，從而了解錨錠錨繩伸縮幅度狀況，借以調(diào)整錨繩長(zhǎng)度，使其受力均勻，有利于安全，保證水中基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)定位的精度。
從實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)中可知，這種前方交會(huì)網(wǎng)絡(luò)圖定位法，不僅適用于大橋水中墩的定位工作，從小到一根單樁大到巨型沉井均可精密定位，而且對(duì)于港口碼頭，近海鉆機(jī)平臺(tái)的就位，水中漂浮建筑物的位移幅度的測(cè)定，都可以因地制宜地選擇各種比例圖來(lái)使用。因而只要有設(shè)計(jì)的坐標(biāo)或虛擬的點(diǎn)位坐標(biāo)，就可事先計(jì)算并繪制所需精度的網(wǎng)絡(luò)圖，外業(yè)實(shí)際應(yīng)用時(shí)，甚感方便。
4. 邊長(zhǎng)交會(huì)網(wǎng)絡(luò)圖繪制的基本原理及應(yīng)用實(shí)例
用光電測(cè)距儀測(cè)距定位最大的優(yōu)點(diǎn)是工作簡(jiǎn)單，速度快，精度能滿足要求，但必須特別指出的是在工作前，儀器應(yīng)作過(guò)近期檢驗(yàn)或在已知邊上作校對(duì)比測(cè)，得出其加常數(shù)誤差，進(jìn)行校正。否則稍有疏忽，就會(huì)出現(xiàn)粗差。
邊長(zhǎng)交會(huì)時(shí)，一般采用三條邊交會(huì)，以置儀點(diǎn)為圓心以觀測(cè)邊為半徑，作三段弧長(zhǎng)交會(huì)于N
1、N
2、N
3三點(diǎn)，如圖5所示。
由于S
AN、S
BN、S
CN的觀測(cè)邊長(zhǎng)比示誤三角形△Ⅳ，Ⅳ2Jr,的邊長(zhǎng)大的多，所以將圓弧N
1N
2、N
2N
3、 N
1N
3用直線來(lái)代替，因此產(chǎn)生的誤差是極小的。完全可以忽略不計(jì)。如果交會(huì)邊長(zhǎng)為400m，觀測(cè)點(diǎn)與設(shè)計(jì)的點(diǎn)相距0.5m，如圖6所示。
所以我們?cè)诜€(wěn)定的墩、臺(tái)基礎(chǔ)上，置儀于N點(diǎn)，應(yīng)分別在A、B、C上安置反射鏡，測(cè)定三條邊S
AN、S
BN、S
CN，用1:1或1:2的比例根據(jù)設(shè)計(jì)邊長(zhǎng)作切線方向的邊長(zhǎng)交會(huì)網(wǎng)絡(luò)圖就非常容易了，如圖7所示。
假定測(cè)得S
AN′=565.714,Sb
N′=399.972,S
CN′=640.243。
在圖上可很容易標(biāo)定出N點(diǎn)，其坐標(biāo)差：△X=－27mm，△Y=+68mm。
5. 用全站儀進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)圖定位的方法
全站儀實(shí)際上是將光電測(cè)距儀和電子經(jīng)緯儀結(jié)合為一體的儀器，它的全稱為全站型電子速測(cè)儀，這種儀器除能自動(dòng)測(cè)距、測(cè)角外，由于配有數(shù)
據(jù)處理系統(tǒng)，故還能快速完成一個(gè)測(cè)站所需完成的工作，包括平距、高差、坐標(biāo)以及放樣等方面的計(jì)算。因而它具有多功能、高精度、自動(dòng)化等方面的優(yōu)點(diǎn)，是其他常規(guī)儀器不能做到的。但是全站儀是一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能齊全、價(jià)格昂貴的先進(jìn)測(cè)量?jī)x器，在使用中要精心操作，如果儀器發(fā)生故障就會(huì)給工作帶來(lái)直接的影響。與全站儀配套使用的反射棱鏡，也必須保持干凈，要嚴(yán)格安置在測(cè)點(diǎn)上。全站儀的測(cè)角誤差，橫軸誤差和豎軸誤差，還有水平度盤(pán)偏心差，豎直度盤(pán)偏心差，豎直指標(biāo)差以及光學(xué)對(duì)中器的誤差等，在使用前必須經(jīng)過(guò)近期的嚴(yán)格檢驗(yàn)。全站儀與一般光學(xué)經(jīng)緯儀最主要的不同之處，是它可將測(cè)出的視準(zhǔn)差存儲(chǔ)起來(lái)，在測(cè)角中自動(dòng)對(duì)觀測(cè)值進(jìn)行修正，而豎軸誤差也能通過(guò)傾斜補(bǔ)償自動(dòng)消除。這是一般光學(xué)經(jīng)緯儀所不能做到的，所以越是先進(jìn)、精密的儀器，越是要正確地使用。在水中墩的精密定位工作中，若僅在一個(gè)測(cè)站上測(cè)定點(diǎn)位的坐標(biāo)，是缺乏檢樣核條件的。至少應(yīng)在第二個(gè)控制點(diǎn)測(cè)站上進(jìn)行檢測(cè)，以避免粗差發(fā)生。同樣可以采用上述方位角網(wǎng)絡(luò)和邊長(zhǎng)交會(huì)網(wǎng)絡(luò)來(lái)合并使用圖上定點(diǎn)，取兩套方法得出的坐標(biāo)平均值，作為測(cè)定值，本文就不再贅述了。
6. 結(jié)語(yǔ)
大橋墩、臺(tái)定位最關(guān)鍵的問(wèn)題，是在施工、測(cè)量過(guò)程中不允許出現(xiàn)粗差，為確保定位精度，必須做好基礎(chǔ)工作，要布設(shè)高精度的專用控制網(wǎng)，其控制點(diǎn)位要確保其穩(wěn)定性和耐久性。為了避免現(xiàn)場(chǎng)定位出粗差，多做些內(nèi)業(yè)準(zhǔn)備工作，未雨綢繆，才能防患于未然。所繪制的網(wǎng)絡(luò)圖一定要仔細(xì)復(fù)核無(wú)誤后，方可拿到現(xiàn)場(chǎng)使用。這種網(wǎng)絡(luò)圖的定位方法還可以舉一反三，用在后方的交會(huì)工作上，參考文獻(xiàn)[1]已有介紹就不再重復(fù)。
參考文獻(xiàn)
[1]朱海濤．橋梁工程實(shí)用測(cè)量[M]．第2版．北京：中國(guó)鐵道出版社，2004．
《第十九屆全國(guó)橋梁學(xué)術(shù)會(huì)議論文集》上冊(cè)2010年
（作者 朱海濤）
